Физики создали новое семейство состояний кота Шрёдингера для будущих квантовых технологий

Квантовая механика продолжает удивлять даже спустя столетие после своего появления. Многие её явления противоречат повседневному опыту и кажутся невозможными с точки зрения классической физики. Одним из самых известных примеров является мысленный эксперимент Эрвина Шрёдингера, предложенный в 1935 году. В нём кот оказывается одновременно живым и мёртвым до момента наблюдения. Хотя сам эксперимент был создан как философская иллюстрация парадоксов квантовойтеории, идея квантовой суперпозиции сегодня лежит в основе реальных технологий и лабораторных исследований.

Теперь исследователи из Оксфордского университета сообщили о создании нового семейства состояний кота Шрёдингера, которое существенно расширяет возможности управления квантовыми системами. Работа опубликована в журнале Physical Review X и уже рассматривается специалистами как важный шаг на пути к более сложным квантовым вычислениям и новым методам исследования фундаментальных законов природы.

В классическом мире объект может находиться только в одном определённом состоянии. Монета лежит либо орлом вверх, либо решкой вверх. В квантовом мире ситуация принципиально иная. Частица может находиться сразу в нескольких состояниях одновременно, пока не будет произведено измерение. Это явление называется суперпозицией и является одним из фундаментальных принципов квантовой механики.

Наиболее известным примером практического использования суперпозиции является кубит — базовый элемент квантового компьютера. В отличие от обычного бита, который принимает значение 0 или 1, кубит способен существовать одновременно в комбинации обоих состояний. Именно это свойство обеспечивает потенциальное превосходство квантовых компьютеров над традиционными вычислительными системами.

Однако возможности квантовой физики не ограничиваются двумя состояниями. Во многих системах существует гораздо более богатый набор вариантов. Одной из таких систем является квантовый гармонический осциллятор — универсальная модель, описывающая колебания света, атомов, молекул и даже движение отдельных частиц в ловушках. Такие осцилляторы могут занимать большое количество энергетических уровней и формировать сложные квантовые состояния.

Традиционные состояния кота Шрёдингера обычно создаются как суперпозиция двух когерентных состояний. Когерентные состояния считаются наиболее близкими к классическому движению объектами квантового мира. Именно поэтому их часто используют для демонстрации перехода между квантовым и привычным макроскопическим поведением.

Оксфордские физики решили пойти значительно дальше. Вместо суперпозиции относительно классических когерентных состояний они разработали метод формирования суперпозиций из компонентов, которые сами по себе уже являются ярко выраженными неклассическими объектами.

Особое внимание исследователей привлекли так называемые сжатые состояния. В квантовой механике существует принцип неопределённости, согласно которому невозможно одновременно идеально точно измерить определённые пары физических величин. Однако распределение этой неопределённости можно изменять. В сжатых состояниях неопределённость уменьшается по одному параметру за счёт её увеличения по другому. Такие состояния активно используются в современных экспериментах по квантовой метрологии и регистрации гравитационных волн.

Для реализации эксперимента использовался одиночный захваченный ион. Подобные системы считаются одной из наиболее перспективных платформ для квантовых технологий. Захваченный ион одновременно обладает внутренними квантовыми состояниями, работающими как кубит, и колебательным движением, которое можно рассматривать как квантовый осциллятор с большим числом доступных состояний.

Учёные создали специальную последовательность взаимодействий, которая позволила запутать внутреннее состояние иона с его движением. Затем было выполнено квантовое измерение промежуточного состояния системы, благодаря чему движение иона оказалось переведено в заранее выбранную суперпозицию сложных неклассических компонентов.

Главным преимуществом новой методики стала высокая гибкость управления. Изменяя параметры эксперимента, исследователи смогли контролировать относительные размеры компонентов, их ориентацию, степень разделения и геометрическую структуру. Фактически одна экспериментальная установка позволила генерировать широкий набор ранее недоступных квантовых состояний.

Для подтверждения результатов была проведена полная реконструкция полученных состояний. Анализ показал наличие сложных интерференционных структур и характерных областей отрицательности функции Вигнера. В квантовой физике такие особенности считаются одним из важнейших признаков подлинно неклассического поведения и свидетельствуют о том, что система не может быть описана законами классической статистики.

Особенно впечатляющим результатом стало получение состояний с высокой степенью симметрии и сложной внутренней структурой. Некоторые из них демонстрировали шестикратную вращательную симметрию, что свидетельствует о богатой интерференционной картине внутри квантовой системы.

Значение работы выходит далеко за рамки фундаментальной физики. Одним из главных препятствий на пути создания полноценных квантовых компьютеров остаётся проблема ошибок и потери квантовой информации. Новые состояния могут оказаться более устойчивыми к внешним возмущениям и предоставить дополнительные механизмы коррекции ошибок.

Кроме того, такие системы открывают новые возможности для сверхточных измерений. Квантовые суперпозиции сложной структуры потенциально способны повысить чувствительность приборов, используемых в навигации, астрономии, спектроскопии и фундаментальных исследованиях.

Не менее важным остаётся философский аспект работы. Новые состояния позволяют исследовать границу между квантовым и классическим мирами, помогая лучше понять, каким образом привычная реальность возникает из глубинных квантовых законов.

Сегодня многие квантовые технологии основаны преимущественно на кубитах. Однако новое исследование демонстрирует, что будущее может принадлежать гораздо более сложным квантовым объектам, использующим богатую структуру осцилляторов и многоуровневых суперпозиций. Это открывает путь к созданию нового поколения квантовых устройств, значительно превосходящих современные системы по гибкости и вычислительным возможностям.